基于DMD的紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

耿 達(dá)，何永強(qiáng)，唐德帥，元 雄，胡文剛，任宏巖

(軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系，河北石家莊050003)

1 引言

近年來(lái)隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，利用紅外場(chǎng)景仿真技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境下對(duì)紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試成為研究熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外典型的紅外成像技術(shù)有以下幾種:激光二極管、電阻陣列、液晶光閥、數(shù)字微鏡陣列(DMD)等［1］。其中，基于DMD的紅外成像技術(shù)具有灰度等級(jí)高、分辨率高、對(duì)比度強(qiáng)、能量輸出集中、生成圖像穩(wěn)定、均勻性好、幾何畸變小、可分辨溫差小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為紅外成像技術(shù)的主要發(fā)展方向。

幀頻指單位時(shí)間內(nèi)仿真系統(tǒng)轉(zhuǎn)換生成動(dòng)態(tài)圖像的數(shù)量。實(shí)驗(yàn)中，由于DMD采用的是調(diào)制反射光，通過(guò)控制每個(gè)微反射鏡反射光的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)，只能與凝視面陣紅外探測(cè)器匹配使用，因此只有在其積分時(shí)間內(nèi)才對(duì)外部光能進(jìn)行探測(cè)，其他時(shí)間不響應(yīng)［2］。為了得到理想的仿真場(chǎng)景，探測(cè)器的積分時(shí)間與DMD顯示幀頻要同步，否則就會(huì)出現(xiàn)假信號(hào)、閃爍及圖像混淆現(xiàn)象。本文通過(guò)分析DMD的工作原理，研究了基于DMD的場(chǎng)景仿真系統(tǒng)中，探測(cè)器積分時(shí)間與DMD顯示時(shí)間不同步時(shí)，對(duì)于靜態(tài)場(chǎng)景仿真和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景仿真的影響。

2 DMD工作原理

DMD器件是由美國(guó)德州儀器(TI)公司研制的，是數(shù)字光處理(DLP)系統(tǒng)的核心器件。每個(gè)DMD是由成千上萬(wàn)個(gè)可翻轉(zhuǎn)的鋁合金微鏡組成，相當(dāng)于投影圖像中的一個(gè)像素點(diǎn)，通過(guò)快速、獨(dú)立控制每個(gè)微反射鏡的偏轉(zhuǎn)角度，控制對(duì)光源光線的反射，實(shí)現(xiàn)圖像信息的動(dòng)態(tài)顯示［3］。圖1是用電子顯微鏡拍下的去除窗口的微鏡陣列照片，這些微鏡面具有不同的偏轉(zhuǎn)角，呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。圖2示出了兩片DMD微鏡片的傾斜狀態(tài)。

圖1 DMD芯片微鏡陣列顯微照片F(xiàn)ig．1 Micrograph ofmicro lens of DMD

圖2 微鏡片的工作狀態(tài)示意圖Fig．2Working state of Micro lens

由圖2［4］可知，DMD像素單元只要由CMOS存儲(chǔ)單元、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、鏡架、反射鏡和3個(gè)電極等幾部分組成。

DMD是一種快速、反射式的數(shù)字光開(kāi)關(guān)，通過(guò)微鏡片的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)成像。圖3［5］是DMD成像原理示意圖。每個(gè)微鏡片都有3種狀態(tài)，即“開(kāi)”、“平”以及“關(guān)”態(tài)，分別對(duì)應(yīng) +12°、0°和 －12°。將投影透鏡置于微鏡片的中垂線上，當(dāng)微鏡片未偏轉(zhuǎn)時(shí)，光源發(fā)出的入射光被微鏡反射，反射角為24°，偏離投影系統(tǒng)。當(dāng)微鏡片偏轉(zhuǎn)+12°時(shí)，經(jīng)微鏡片反射的入射光幾乎全部通過(guò)投影系統(tǒng)，在屏幕上對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)成亮態(tài)。當(dāng)微鏡片偏轉(zhuǎn)－12°時(shí)，反射光線偏離投影系統(tǒng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)成暗態(tài)［4］。因此，通過(guò)控制微鏡片的3種狀態(tài)，就能控制每個(gè)像素點(diǎn)的亮暗，從而生成一幅圖像。

圖3 DMD工作原理示意圖Fig．3Working principle of DMD

3 DMD的灰度調(diào)制技術(shù)

為了使DMD投影出的圖像含有更豐富的信息且更逼真，就需要進(jìn)行灰度調(diào)制。灰度調(diào)制的基本原理是人眼在空間上對(duì)分辨率不敏感和在時(shí)間上存在“視覺(jué)暫留”的特性。灰度調(diào)制方法主要有空間灰度調(diào)制、幀灰度調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制等［4］。由于空間灰度調(diào)制和幀灰度調(diào)制在提高灰度等級(jí)時(shí)都存在一定的局限性，而脈沖寬度調(diào)制不存在這種問(wèn)題。因此，基于DMD的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景仿真系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)制。

脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)是指在探測(cè)器積分時(shí)間內(nèi)，DMD根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路輸入的脈寬信號(hào)，調(diào)節(jié)微鏡片的3種狀態(tài)所占圖像一幀時(shí)間的百分比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)像素的數(shù)字控制。圖像數(shù)據(jù)的最高有效位(MSB)對(duì)應(yīng)的位時(shí)間最長(zhǎng)，最低有效位(LSB)對(duì)應(yīng)的位時(shí)間最短。以10進(jìn)制數(shù)的4 bit灰度圖像為例，它具有24個(gè)灰度等級(jí)。把一幀時(shí)間分為4個(gè)位時(shí)間，每個(gè)位時(shí)間的長(zhǎng)短與它的二進(jìn)制權(quán)值成正比，即從 LSB 到 MSB 的位時(shí)間依次為 20、21、22、23，且對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔為1/15、2/15、4/15、8/15。其二進(jìn)制數(shù)表示為1010，在MSB和MSB－2的位時(shí)間上，DMD微鏡片處于“開(kāi)”態(tài)，鏡片偏轉(zhuǎn) +12°;在MSB－1和LSB的位時(shí)間上，DMD處于“關(guān)”態(tài)。鏡片偏轉(zhuǎn)－12°［6］。圖4示出了4 bit圖像的二進(jìn)制脈寬調(diào)制示意圖。同樣，可以實(shí)現(xiàn)8 bit，12 bit等更高的灰度等級(jí)，主要取決于每幀圖像的場(chǎng)時(shí)間和鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間。

圖4 4 bit脈沖寬度調(diào)制示意圖Fig．4 Pulse width modulation of4 bit

4 仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

由于DMD灰度等級(jí)控制采用的是脈寬調(diào)制技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)微鏡片在“開(kāi)”態(tài)和“關(guān)”態(tài)所處的時(shí)間來(lái)成像的，因此只能與凝視面陣紅外探測(cè)器匹配使用，且探測(cè)器的積分時(shí)間等于DMD顯示時(shí)間，同時(shí)二者之間實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的幀同步。如果PWM調(diào)制與探測(cè)器積分時(shí)間不同步，則會(huì)導(dǎo)致時(shí)間混淆現(xiàn)象，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的解決辦法是從探測(cè)器外接一路同步信號(hào)，連接到DMD驅(qū)動(dòng)電路板，控制PWM顯示，實(shí)現(xiàn)PWM與探測(cè)器積分時(shí)間的同步。圖5所示加載同步信號(hào)后，積分時(shí)間與DMD顯示時(shí)間的同步示意圖。圖中以數(shù)據(jù)為1、8、10的4 bit圖像為例，當(dāng)探測(cè)器探測(cè)到一幀圖像時(shí)，向DMD驅(qū)動(dòng)板發(fā)出一個(gè)同步信號(hào)，使積分時(shí)間和顯示時(shí)間同步，從而得到完整清晰的圖像。

圖6 仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路板Fig．6 Circuit board of the simulation experiment

圖5 加載同步信號(hào)下的脈寬調(diào)制示意圖Fig．5 Pulse width modulation of loading synchronization signal

4．1 靜態(tài)場(chǎng)景仿真

目前，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所具備的條件，仿真系統(tǒng)可以顯示靜態(tài)場(chǎng)景和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。如圖6所示，仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路板由上半部分的DMD驅(qū)動(dòng)板和下半部分的視頻板組成，來(lái)顯示動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，DMD驅(qū)動(dòng)板也可單獨(dú)工作，顯示靜態(tài)場(chǎng)景。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在顯示靜態(tài)圖像時(shí)，不外接同步信號(hào)且積分時(shí)間大于顯示時(shí)間，調(diào)節(jié)顯示幀頻也會(huì)得到清晰完整的圖像。如圖7所示，當(dāng)探測(cè)器積分時(shí)間為20 ms時(shí)，DMD分別在顯示時(shí)間為10 ms、20 ms和25 ms圖像的顯示情況。

圖7 積分時(shí)間為20 ms時(shí)的DMD圖像Fig．7 Experiment images of DMD at Tint=20 ms

由圖可以看出，圖7(a)和圖7(b)圖像明顯比圖7(c)圖像清晰完整。當(dāng)探測(cè)器積分時(shí)間為30 ms時(shí)，調(diào)節(jié) DMD顯示時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，圖8(a)圖像明顯比圖8(b)圖像清晰完整。

圖8 積分時(shí)間為30 ms時(shí)的DMD圖像Fig．8 Experiment images of DMD at Tint=30 ms

通過(guò)上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)初步得出，DMD在顯示靜態(tài)圖像時(shí)，不外接同步信號(hào)，調(diào)節(jié)DMD顯示幀頻，滿足探測(cè)器積分時(shí)間是DMD顯示時(shí)間的整數(shù)倍，就可以得到清晰完整的圖像。

4．2 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景仿真

4．1節(jié)得到的結(jié)論只在靜態(tài)場(chǎng)景仿真時(shí)適用，在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景仿真時(shí)，由于相鄰兩幀圖像的信息不同，必須外接同步信號(hào)使探測(cè)器積分時(shí)間與DMD顯示時(shí)間在同一時(shí)刻開(kāi)始，否則就會(huì)出現(xiàn)圖像混淆現(xiàn)象。由數(shù)據(jù)為1、8、10的4 bit連續(xù)三幀圖像為例，當(dāng)沒(méi)有外接同步信號(hào)時(shí)，積分信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)匹配關(guān)系如圖9所示，在一段積分時(shí)間內(nèi)包含了相鄰兩幀圖像的內(nèi)容，探測(cè)器得到的圖像不是一幅包含全部信息的完整圖像因此圖像出現(xiàn)混淆現(xiàn)象;當(dāng)外接同步信號(hào)時(shí)，如圖10所示，積分信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)在同一時(shí)刻觸發(fā)且在同一時(shí)刻結(jié)束，探測(cè)器在每段積分時(shí)間內(nèi)得到的是完整的一幅圖像，消除了圖像混淆現(xiàn)象。

為了準(zhǔn)確、直觀地驗(yàn)證在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景仿真時(shí)，未加同步信號(hào)會(huì)出現(xiàn)圖像混淆現(xiàn)象，運(yùn)用Flash軟件制作了一段相鄰兩幀圖像信息相差比較明顯的視頻，便于觀察圖像混淆現(xiàn)象。選取其中連續(xù)的四幀圖像，如圖11所示。

圖9 未加載同步信號(hào)的脈寬調(diào)制示意圖Fig．9 Pulse width modulation of not loading synchronization signal

圖10 加載同步信號(hào)的脈寬調(diào)制示意圖Fig．10 Pulse width modulation of loading synchronization signal

圖11 選取視頻中連續(xù)的四幀圖像Fig．11 Select the four frame successive images

首先，不外接同步信號(hào)，設(shè)定探測(cè)器時(shí)間與DMD顯示時(shí)間相同。探測(cè)器得到的與圖11對(duì)應(yīng)幀數(shù)的圖像內(nèi)容如圖12所示。

圖12 未接同步信號(hào)時(shí)探測(cè)器得到的圖像Fig．12 The images ofmissed synchronization signal

觀察上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在未接同步信號(hào)的情況下，即使探測(cè)器積分時(shí)間與DMD顯示時(shí)間相同，得到的圖像不完整且相鄰圖像之間重疊。當(dāng)外接同步信號(hào)時(shí)，得到的圖像如圖13所示。

圖13 外接同步信號(hào)時(shí)探測(cè)器得到的圖像Fig．13 The images of external synchronization signal

通過(guò)圖12與圖13對(duì)比可知，外接同步信號(hào)得到的圖像完整且沒(méi)有圖像重疊現(xiàn)象。因此仿真系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)場(chǎng)景仿真時(shí)，外接同步信號(hào)協(xié)調(diào)積分信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)是非常有必要的。

5 結(jié)論

通過(guò)上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，得出系統(tǒng)在靜態(tài)場(chǎng)景仿真時(shí)，不外接同步信號(hào)就可以得到清晰完整的圖像，避免了外接同步信號(hào)改動(dòng)電路的麻煩，易于工程實(shí)現(xiàn)。而動(dòng)態(tài)場(chǎng)景仿真時(shí)，只調(diào)整探測(cè)器積分時(shí)間與系統(tǒng)顯示時(shí)間不能消除圖像混淆，只能外接同步信號(hào)。為了工程需要，研究一種不外接同步信號(hào)就能消除動(dòng)態(tài)場(chǎng)景仿真中圖像混淆的方法，成為下一步工作的重點(diǎn)。

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